黃應(yīng)邦 林錫坤 馬勝偉 陳余海 潘灶林 吳洽兒
摘 要:本文結(jié)合南海海島自動氣象站高濕、高溫、強輻射、高鹽霧、強風等環(huán)境特點,對南海海島自動氣象站出現(xiàn)的故障進行分析總結(jié),然后從南海海島自動氣象結(jié)構(gòu)和防護要求出發(fā),提出了金屬防銹防腐等防護措施,延長南海海島自動氣象站對海洋環(huán)境的適應(yīng)性和設(shè)備的使用年限。
關(guān)鍵詞:南海海島;海洋氣象站適應(yīng)性;防護措施
中圖分類號:P415.1+2? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2019)09-0110-02
1引言
由于南海海島所處海域為熱帶季風氣候區(qū)域,北緯10°,為比較典型的海洋性氣候,加上南海距離陸地海岸線比較遠、海島交通不便、維修難度比較大,受特殊地理環(huán)境因素的影響,結(jié)構(gòu)材料極易被腐蝕,為提高設(shè)備運行的可靠性和穩(wěn)定性,需對自動氣象站對海洋環(huán)境的適應(yīng)性進行分析。
2 南海海島氣象站海洋環(huán)境的適應(yīng)性
南海海島站包括采集器、傳感器、供電和通信系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安設(shè)附件、標準緊固件及管道線纜等,海南氣象局會每年定期對南海海島站的設(shè)施進行巡檢。2015年6月,海南氣象局對包括南沙、西沙海島在內(nèi)的12個站點共計24套設(shè)施進行巡檢,檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn),南海海島站點共計237處設(shè)備故障點,誘因是設(shè)備材料、制作技術(shù)等,表現(xiàn)為金屬材料的腐銹蝕鹽化、非金屬材料的設(shè)備老化、設(shè)備對海洋環(huán)境的適應(yīng)性等;設(shè)備有結(jié)構(gòu)件、傳感器、電纜機箱及緊固件等;構(gòu)件是風桿、拉索、相應(yīng)的橫臂支架,結(jié)合對檢查結(jié)果及故障原因分析可知,南海海島站因受到海洋環(huán)境“兩強、三高”影響,平均壽命降低,情況嚴重的只占普通氣象站的1/3~1/2,基于目前南海海島特殊自然環(huán)境條件、制作工藝及生產(chǎn)技術(shù)情況,提升新建的南海海島站在海洋環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定運行期,由半年升到一年,基本符合海洋設(shè)備的應(yīng)用要求[1]。
3 南海海島氣象站的防護技術(shù)
當下南海海島站設(shè)備材料分為金屬鋼鐵材料和非金屬材料,南海海島站集成性的影響因素為鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕、鹽化及非金屬材料老化等。在進行南海海島站具體防護設(shè)計時要結(jié)合部件特點選取相應(yīng)的防腐材料,如鋁、鈦合金、不銹鋼金屬材料、聚碳酸酯等非金屬材料,南海海島站設(shè)備材料需選用一定的鍍涂工藝,降低材料因環(huán)境因素而引起的變化性。
3.1 金屬材料的防銹蝕方法
海洋環(huán)境會引起金屬材料的腐蝕、銹蝕,主要是由于金屬和海洋環(huán)境周圍介質(zhì)直接接觸,因海水作用而發(fā)生化學、電化學反應(yīng),造成金屬材料的損壞,從以下入手:
(1)阻隔金屬和介質(zhì)的直接接觸,通過一定的措施使得金屬表面生產(chǎn)一層氧化保護膜,阻隔金屬和介質(zhì)的直接接觸,達到防腐蝕效果;
(2)陽極保護,于金屬表面涂刷一層活性材料,以此為陽極,因涂刷層電位低于金屬基體而呈現(xiàn)負極性,故在電化學反應(yīng)中以陽極的形式遭到腐蝕,而作為陰極的金屬材料則被保護,金屬表面涂刷層的消耗使得金屬材料得到保護。
鑒于上述兩種方式,選取金屬材料時,結(jié)合試驗結(jié)果,最佳金屬材料為316不銹鋼,其防腐方法以阻隔金屬材料和介質(zhì)為主,通過在材料中摻入Cr、Mo等易氧化元素,在金屬材料表層生成致密的Cr2O3等保護膜,進而阻隔金屬材料和周圍環(huán)境介質(zhì)的接觸,實現(xiàn)在一般大氣、酸堿鹽等環(huán)境中的金屬材料防腐;陽極保護措施中,可在風塔、結(jié)構(gòu)件、緊固件等金屬設(shè)施表層涂刷一層Zn、Al等,鋼鐵金屬材料為基底,Zn、Al鍍層為陽極,電化學反應(yīng)時,陽極鍍層因氧化腐蝕而形成致密的氧化保護膜,進而有效保護基底材料,實現(xiàn)金屬材料的防腐。
3.2 南海海島線纜的老化、腐蝕防御
南海海島站建筑結(jié)構(gòu)及施工環(huán)境特殊,如長期高溫、強濕度、輻射環(huán)境的作用等,使得多數(shù)南海海島站電纜線路呈現(xiàn)裸露狀態(tài),降低了設(shè)備性能,引發(fā)設(shè)備故障,電纜所用橡膠材料包括丁苯橡膠、天然橡膠、乙丙橡膠等;塑料材料包括聚乙烯、聚丙、烯聚氯乙烯等,以上均不符合高溫、高濕、強輻射等特殊環(huán)境的使用需求,故在保證南海海島站電氣設(shè)備的性能的前期下,需盡可能選取耐高溫、耐高濕、耐強輻射等復合橡膠材料,有效抵御紫外線,確保線纜不會出現(xiàn)因日照腐蝕而引起損壞[2],同時電纜還需具有一定的耐磨、抗酸堿腐蝕、不易撕裂等特性及銅網(wǎng)屏蔽線等材料。
3.3 焊接工藝的預防處理
金屬材料的防腐性能和金屬件的焊接技術(shù)有一定的關(guān)系。金屬件在焊接時需選用氬弧焊的方式,由于氬氣的波紋很細,且成型非常美觀,故將氬氣作為保護氣體,可有效保護焊縫,焊接質(zhì)量也得以保障。此外由于氬弧焊的能量較集中,焊接時熱影響的區(qū)域很小,有效降低其變形和變性,選取焊接材料時,性能需優(yōu)于焊接母材料,這樣可有效保證焊縫的材料和母體材料成分一致[3]。氬弧焊工藝可有效保障焊縫性能及化學成分,使得焊縫成分和機械性能保持和母體材料一致,避免晶界處的腐蝕,有效提升設(shè)備的防腐性能。
3.4 表面涂覆措施的要點
對于南海海島站的設(shè)備機箱及結(jié)構(gòu)件等為實現(xiàn)防腐、隔熱的目標,需在其表面涂刷一層保護膜。調(diào)研發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)件的表面涂刷可選用靜電噴涂工藝,其原理是借助靜電原理把塑料粉末噴刷至金屬材料表層,靜電作用使得塑料粉末均勻附著在金屬表層,進而呈現(xiàn)粉末狀涂層,經(jīng)過高溫的烘烤、熔化、固化等過程,粉末狀涂層于金屬表面構(gòu)成了均勻的保護層,具有較高的機械強度、強附著力、耐老化、耐腐蝕性。南海海島站的設(shè)備結(jié)構(gòu)件、機箱等選用表面靜電噴涂制作可有效降低設(shè)備的腐蝕,提升設(shè)備使用壽命,符合海洋環(huán)境下金屬構(gòu)件的設(shè)備防腐。
4 南海海島氣象站組成成分的防護方案
4.1 風桿防護
因南海海島站周圍特殊的氣候條件,使得常規(guī)的氣象風桿的安裝、使用及維護過程中出現(xiàn)較多問題。通過試驗對比分析,最終選取由玻璃纖維復合非金屬材料構(gòu)成的新型風桿,玻璃纖維復合非金屬材料的質(zhì)量更輕、強度更高、抗腐蝕性能更好,在運輸、安設(shè)過程中更便捷,完全滿足海洋特殊環(huán)境的應(yīng)用要求[4]。對于風桿安設(shè)的附件,包括拉索、索扣、預埋件等均選用316不銹鋼材料制備,可有效提升設(shè)備的抗腐蝕性能。風塔結(jié)構(gòu)的南海海島站,可選用熱鍍鋅技術(shù)處理風塔材料:風塔制作時,可在鋼鐵結(jié)構(gòu)表層噴刷一層Zn、Al等陽極性材料,避免電化學反應(yīng)對鋼鐵材料造成腐蝕,實現(xiàn)設(shè)備防腐。
4.2 機箱防護
因南海海島站周圍環(huán)境較特殊,為提升南海海島站機箱的特殊環(huán)境適應(yīng)性,增強機箱的吸熱、密封、抗腐蝕等性能,機箱制備時需排除聚熱材料,原因是聚熱材料易吸熱造成機箱溫度增加,溫度太高對采集器的性能和壽命將會產(chǎn)生直接影響。機箱最佳材料為316不銹鋼板或混合橡膠材料,其中316不銹鋼機箱需選用氬弧焊工藝進行焊接、拼裝,并于機箱表層開展靜電噴涂作業(yè),確保機械的抗腐蝕性,提供機械的防護性能。為滿足機箱的防水防塵需求,機箱和門之間的密封條可選用聚氨酯材料,其中聚氨酯材料的材質(zhì)柔軟、密封性強、結(jié)合力好,不易發(fā)生脫落,均符合南海海島站機箱制作需求,適用于海洋環(huán)境。
4.3 傳感器防腐處理
(1)目前大多數(shù)南海海島站風傳感器均為YOUNG風傳感器,安設(shè)和更換時需用黃油處理緊固螺絲來降低結(jié)構(gòu)件的腐蝕程度,同時需用電工膠布裹纏引線的線纜接口來降低線纜的老化及腐蝕,選用穿管處理通信線纜,盡可能避免線纜外漏。
(2)溫濕度傳感器主要安設(shè)于防輻射罩里,高溫作用使得防輻射罩內(nèi)外具有較大的溫差,易產(chǎn)生液化的小水珠,并且附著在防輻射罩內(nèi),引起濕敏元件出現(xiàn)飽和情況,造成測量誤差。市面上的VISALA公司制造的加熱型溫濕度傳感器HMP155A,可借助加熱器件來處理高濕條件下濕敏元件的飽和情況,同時借助熱轟擊方式處理濕敏元件污染情況,避免設(shè)備腐蝕[5]。設(shè)備使用時,需用電工膠布裹纏接線航空插頭,避免航空插頭因鹽化而出現(xiàn)腐蝕。
(3)常規(guī)雨量傳感器在特殊的海洋環(huán)境條件下,高溫、高濕、高鹽霧、強輻射等條件作用均易出現(xiàn)鹽化腐蝕,長期使用會產(chǎn)生堵塞,故使用時盡可能選用非金屬材料生產(chǎn)的雨量筒。
5 結(jié)論
綜上所述,本文基于南海海島自動氣象站項目,對其實際運行中存在的防護問題進行詳細分析,為應(yīng)對海洋環(huán)境的特殊條件如南海海島強風、強輻射、高溫、高濕度、高鹽性等,從南海海島站的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、材料、集成性等方面入手,采用多種電子設(shè)備防護工藝及有效防護方案,有效提升海洋特殊環(huán)境條件作用下的南海海島站使用性能,延長設(shè)備維護使用時間。
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基金項目:農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)安全生產(chǎn)管理項目(171721301124112041-01,171721301124112041-02);農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南海漁業(yè)安全應(yīng)急處置與對策研究(02011020191111);農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)開發(fā)重點實驗室2018年度開放基金課題(LOF 2018-05)。